水滴中的纳米金刚石提高了量子传感精度

将普通的绿色激光、大约与wi-fi能量相当的微波和水滴中的钻石粉结合起来，你会得到什么？一种精确的化学检测工具

研究人员首次将纳米金刚石结合在液体微滴中用于量子传感。这项新技术精确、快速、灵敏，只需要少量的材料即可研究，这在研究痕量化学物质或单个细胞时很有帮助。研究结果发表在12月的《科学进展》杂志上

“我们甚至不确定我们的技术是否有效，但事实证明，它出乎意料地简单有效，”能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）化学科学部的教员科学家、加州大学伯克利分校的助理教授Ashok Ajoy说，他领导了该项目。“在广泛的应用中，这些传感器可以部署到有趣的环境中，帮助您找到通常难以检测到的东西。”

量子传感利用了在最小尺度上出现的独特特性。在他们的新方法中，研究人员制造了一系列比雨滴小数百万倍的微滴。这些填充有一种特殊的钻石，其中一些碳原子被去除，氮原子被添加

这些“氮空位”充当量子传感器，赋予纳米金刚石一种特殊的性质：当液滴流过激光并被微波击中时，纳米金刚石会发光。微波场中的光量与纳米金刚石周围的材料有关，让研究人员确定附近是否有感兴趣的化学物质

在这段减慢的视频中，充满纳米金刚石的微滴流过团队设备中的不同结构。液滴产生并间隔开。它们的内容物在循环过程中混合，直到它们被沉积在储存室中。Image caption：Ajoy实验室/加州大学伯克利分校

流动液滴和精心调制的微波的结合使研究人员能够忽略不需要的背景噪声，并提高了他们的精度。当涉及到在小样本体积中检测痕量的轻微磁性（或“顺磁性”）化学物质时，新的流动纳米金刚石方法已经优于领先技术

（如果你认为科学不遗余力，别担心——研究人员可以分析数十万个液滴，得到约63美分的金刚石粉尘，使其成为一种相对便宜且有效的选择。）

小传感器，大应用

随着进一步的发展，有许多潜在的方法可以在液滴中使用纳米金刚石

在这项新研究中，由加州大学伯克利分校和伯克利实验室研究生Adrisha Sarkar和伯克利实验室博士后Zack Jones领导的一个研究小组成功地表明，他们可以检测到痕量的两种顺磁性物质：钆离子和TEMPOL，一种对氧气敏感的稳定自由基分子

当液滴流过微波源时，纳米金刚石会发出荧光或发光。Image caption：Ajoy实验室/加州大学伯克利分校

人们对其他几种顺磁性离子感兴趣，但很难使用传统技术进行研究。活性氧（ROS）就是这种情况，活性氧是与细胞代谢、衰老和压力有关的短寿命氧分子。这项新技术可能被证明是检测单个细胞内活性氧的更好方法，为专家追踪细胞健康提供了一种方法，对研究癌症等疾病具有重要意义。该团队已经在为这项研究做准备

他们还在研究如何将有助于识别的其他成分（如抗体）附着到纳米金刚石上，从而扩展生物研究的工具。可以想象，当只有微量病毒存在时，使用该技术构建更好的诊断测试来识别病毒

或者，由于该方法技术含量相对较低，Ajoy预见了一种便携式系统，可用于在现场或工业环境中监测空气或水中的有害微量污染物和化学物质。由于纳米金刚石微滴价格低廉且数量丰富，该技术可以扩大规模，以高灵敏度测量数百种不同的样品，并解决复杂的现实问题

从燃料的革命性进步到化妆品等日常产品，生物反应器处于科学发现的前沿。伯克利实验室的先进生物燃料和生物产品工艺开发部门正在开始探索自动驾驶生物反应器。了解他们计划如何利用配备人工智能显微镜和先进量子传感器的自主系统推进生物反应器的未来。图片来源：Jenny Nuss/伯克利实验室

这种新方法也可用于创建未来的自动驾驶生物反应器。生物反应器为微生物的生长创造了受控的环境，这些微生物可以制造药物、生物燃料或食品配料。因为每一滴纳米金刚石都可以充当一个微观的“烧杯”，可以容纳一个细胞，研究人员可能会利用这项技术来调整生物反应器

伯克利实验室高级生物燃料和生物产品工艺开发部门主任Deepti Tanjore说：“你可以设想在世界各地或太空的恶劣环境中建立生物反应器，制造出你无法每天提供的食物等东西。拥有精确的量子传感器来告诉你微生物培养物的行为是实现这一梦想的重要一步。为了建造一个自我调节的生物反应器。”

这项工作汇集了化学、微流体、生物科学和地球科学领域的专家 More information: Adrisha Sarkar et al, High-precision chemical quantum sensing in flowing monodisperse microdroplets, Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adp4033

Journal information: Science Advances